强激光高能量密度物理研究新进展---面向激光聚变能量的新型快点火方案

 

　　相对于传统的中心点火方案，快点火方案有望大幅降低驱动激光的能量，进而更易获得激光聚变能量，因此自从该方案20年前被提出以来，受到了世界范围地广泛关注。快点火方案中，首先通过激光-等离子体相互作用，把一束约10千焦耳、10皮秒的超强拍瓦点火激光转化成兆电子伏特的电子束，电子束在高密度等离子体中传输百微米的距离后，到达预压缩聚变靶丸的中心区域，加热此区域从而实现点火。由于拍瓦激光产生的电子束发散角较大，所以只有很少一部分电子能最终到达靶中心。在2001年人们提出，在靶内插入一个中空的金属锥，让电子束在距靶中心更近的地方产生，从而能部分地克服电子束大发散角的问题。这一改进方案已经在实验中用0.6皮秒的点火激光进行了演示，结果表明~20%的激光能量转换到了靶中心[Nature 412, 798]。但是，最近在美国OMEGA激光装置上利用10皮秒的点火激光进行的类似实验中，仅观测到~3%的能量转换效率。这些实验结果表现出的巨大差异，已经成为快点火研究领域的一个巨大困扰，甚至影响到了整个领域的发展。

 

　　为了弄清这些问题，最好的方法之一是采用自洽的数值模拟对整个物理过程开展集成模拟研究。这种自洽的数值模拟涉及等离子体密度跨度有4-5个数量级，并包含激光-等离子体相互作用、电子束传输、电子束对靶中心区域的加热等一系列的物理过程，这也是目前快点火物理模拟极具挑战性的问题。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室李玉同研究组的王伟民博士及其合作者提出了针对快点火物理集成模拟的“two-system”粒子模拟(PIC)模型，并在他们的KLAPS程序中实现 [Phys. Rev. E 91, 013101 (2015)]。用此新开发的程序在德国于利希超算中心进行了大规模的数值模拟，证实了锥靶快点火方案实验中激光预脉冲对能量转换效率有着重要影响;首次对原始快点火方案和锥靶快点火方案的激光到靶中心的能量转换效率进行了定量比较。在此基础上，提出了外加磁场辅助点火方案 [Phys. Rev. Lett. 114, 015001 (2015)]：在点火激光传播方向上施加一个10兆高斯量级的外加磁场。一方面，外加磁场可以抑制住电子的横向运动，让电子沿着激光传播方向运动传输到靶中心，从而消除电子束大发散角的影响;另一方面，采用无锥靶既可以避免激光预脉冲或预等离子体的影响，又能消除插入锥后对靶压缩过程对称性的破坏。数值模拟中采用6皮秒、1拍瓦点火激光，结果显示，外加磁场使得激光到靶中心的能量转换率提高了7倍，并且高于锥靶快点火方案的能量转换效率。在最近的激光等离子体实验中，已经产生了10兆高斯量级的强磁场，这使得这一新方案具备了高度的可行性。以上研究结果已经发表在Phys. Rev. Lett. 114, 015001 (2015)和Phys. Rev. E 91, 013101 (2015)上。

 

　　本项研究工作得到国家自然科学基金重点项目、科技部973A类项目和中国科学院的支持。

 

 

　　图1：KLAPS粒子模拟结果。(a)-(c)分别为锥靶方案、原始方案和外加磁场新方案中的靶密度分布，其中(c)图中的箭头表示外加磁场方向。(d)-(f)为不同方案对应的电子束电流，可见外加磁场将电子束限制在激光传播方向，导致大量电子到达/穿过靶中心，对靶中心进行加热。(d)-(f)为电子束形成的纵向电场。

 

 

　　图2：KLAPS粒子模拟结果。靶电子温度空间分布(左列)、离子温度空间分布(右列)，三行分别对应2，4，6皮秒时刻，每个图中的圆表示靶的中心区域(密度高于100g/cm3)。在此模拟中，采用了外加磁场方案和两束方向相反的点火激光(与外加磁场方向平行)，激光脉冲宽度6皮秒，总能量6千焦耳。可以看到靶中心区域的电子首先被加热，离子也随之被加热，在6皮秒时刻中心区域的平均温度达到3千电子伏特。

 

　　文章链接：

 

　　[1]W.-M. Wang, P. Gibbon, Z.-M. Sheng, and Y.-T. Li, Phys. Rev. Lett. 114, 015001 (2015):http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.015001

 

　　[2]W.-M. Wang, P. Gibbon, Z.-M. Sheng, and Y.-T. Li, Phys. Rev. E 91, 013101 (2015):http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.91.013101